DE112017004872T5 - Dielectric elastomeric material, and transducer, for which it is used - Google Patents
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Abstract
Ein dielektrisches Elastomermaterial enthält ein Copolymer mit einem Aufbau, wofür wenigstens eines aus einem Monomer A und einem Monomer C, das eine vernetzbare funktionelle Gruppe aufweist, und ein Monomer B, das eine polare Gruppe aufweist, statistisch oder alternierend copolymerisiert wurden. In diesem Copolymer ist die polare Gruppe in den aus dem Monomer B bestehenden Aufbaueinheiten über wenigstens drei geradkettig verbundene Atome mit der Polymerhauptkette gekoppelt. Ein Wandler (1) umfasst eine dielektrische Schicht (10) aus dem dielektrischen Polymermaterial und mehrere Elektroden (11a, 11b), die mit der dielektrischen Schicht (10) dazwischen angeordnet werden.A dielectric elastomeric material contains a copolymer having a structure for which at least one of a monomer A and a monomer C having a crosslinkable functional group and a monomer B having a polar group has been randomly or alternately copolymerized. In this copolymer, the polar group in the constituent units consisting of the monomer B is coupled to the polymer main chain via at least three straight-chain connected atoms. A transducer (1) comprises a dielectric layer (10) of the dielectric polymer material and a plurality of electrodes (11a, 11b) interposed therebetween with the dielectric layer (10).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dielektrisches Elastomermaterial, das etwa für die dielektrische Schicht eines Wandlers oder dergleichen ideal ist.The present invention relates to a dielectric elastomeric material that is ideal for, for example, the dielectric layer of a transducer or the like.
Allgemeiner Stand der TechnikGeneral state of the art
Als Wandler sind Aktuatoren, Sensoren, stromerzeugende Elemente, oder dergleichen, die eine Umwandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie vornehmen, oder Lautsprecher, Mikrophone, oder dergleichen, die eine Umwandlung zwischen Schallenergie und elektrischer Energie vornehmen, bekannt. Um kleinformatige und leichtgewichtige Wandler mit hoher Elastizität zu bilden, sind hochmolekulare Materialien wie dielektrische Elastomere nützlich.As transducers, there are known actuators, sensors, power generating elements, or the like which make a conversion between mechanical energy and electric power, or speakers, microphones, or the like which make a conversion between sound energy and electric power. To form small-sized and lightweight transducers with high elasticity, high molecular weight materials such as dielectric elastomers are useful.
Zum Beispiel kann ein Aktuator vom elektrostriktiven Typ durch Anordnen eines Paars von Elektroden an beiden Flächen in der Dickenrichtung einer dielektrischen Schicht aus einem dielektrischen Elastomer gebildet werden. Diese Art von Aktuator treibt ein anzutreibendes Element an, indem die dielektrische Schicht durch die Größe einer zwischen den Elektroden angelegten Spannung ausgedehnt und zusammengezogen wird. Die entwickelte Kraft und das Verschiebungsausmaß des Aktuators werden durch die Größe der angelegten Spannung und die zwischen den Elektroden entstehende elektrostatische Anziehung bestimmt. Das heißt, die entwickelte Kraft und das Verschiebungsausmaß des Aktuators werden umso größer, je größer die anlegbare Spannung ist und je größer die zwischen den Elektroden entstehende elektrostatische Anziehung ist.For example, an electrostrictive type actuator may be formed by arranging a pair of electrodes on both surfaces in the thickness direction of a dielectric elastomer dielectric layer. This type of actuator drives a driven element by expanding and contracting the dielectric layer by the magnitude of a voltage applied between the electrodes. The force developed and the amount of displacement of the actuator are determined by the magnitude of the applied voltage and the electrostatic attraction between the electrodes. That is, the larger the applied voltage and the larger the electrostatic attraction generated between the electrodes, the larger the developed force and the amount of displacement of the actuator become.
Auf die gleiche Weise können ein Sensor und ein stromerzeugendes Element durch Anordnen eines Paars von Elektroden an beiden Flächen in der Dickenrichtung einer dielektrischen Schicht aus einem dielektrischen Elastomer gebildet werden. Bei dem Sensor und dem stromerzeugenden Element entsteht eine elektromotorische Kraft, indem sich die dielektrische Schicht ausdehnt und zusammenzieht. Das Ausmaß der Erzeugung der elektromotorischen Kraft steht in einem Verhältnis zu dem Verschiebungsausmaß des Abstands zwischen den Elektroden und der relativen Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Schicht. Das heißt, die elektromotorische Kraft wird umso größer, je größer das Verschiebungsausmaß des Abstands zwischen den Elektroden ist und je größer die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht ist.In the same way, a sensor and a current-generating element may be formed by arranging a pair of electrodes on both surfaces in the thickness direction of a dielectric elastomer dielectric layer. In the sensor and the power generating element, an electromotive force is generated by the dielectric layer expanding and contracting. The amount of electromotive force generation is in proportion to the amount of displacement of the distance between the electrodes and the relative dielectric constant of the dielectric layer. That is, the larger the amount of shift of the distance between the electrodes and the larger the relative dielectric constant of the dielectric layer, the larger the electromotive force becomes.
Beispielsweise weist Silikonkautschuk eine hervorragende dielektrische Durchschlagsbeständigkeit auf, doch ist die relative Dielektrizitätskonstante gering. Daher ist bei einer Bildung der dielektrischen Schicht aus Silikonkautschuk die elektrostatische Anziehung in Bezug auf die angelegte Spannung klein, und können die entwickelte Kraft und das Verschiebungsausmaß, die von einem Aktuator gewünscht werden, nur schwer erhalten werden. Auch bei einem Sensor und einem stromerzeugenden Element kann die gewünschte elektromotorische Kraft nur schwer erhalten werden. Im Fall von Acrylkautschuk und Nitrilkautschuk ist zwar die relative Dielektrizitätskonstante verglichen mit Silikonkautschuk hoch, doch kann sie noch nicht als ausreichend bezeichnet werden. Daher werden Versuche angestellt, um die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht durch Einbringen polarer Gruppen in ein das Basismaterial darstellendes Elastomer oder Zerstreuen von Teilchen mit einer großen relativen Dielektrizitätskonstanten in diesem zu erhöhen.For example, silicone rubber has excellent dielectric breakdown resistance, but the relative dielectric constant is low. Therefore, when the silicone rubber dielectric layer is formed, the electrostatic attraction with respect to the applied voltage is small, and the developed force and the amount of displacement desired by an actuator are hard to obtain. Even with a sensor and a power generating element, the desired electromotive force is difficult to obtain. In the case of acrylic rubber and nitrile rubber, although the relative dielectric constant is high compared with silicone rubber, it can not yet be said to be sufficient. Therefore, attempts are made to increase the relative dielectric constant of the dielectric layer by introducing polar groups into an elastomer constituting the base material or scattering particles having a large relative dielectric constant therein.
Beispielsweise ist in dem Patentliteraturbeispiel 1 ein künstlicher Muskel beschrieben, der einen elastischen Dünnfilm aus einem elektrostriktiven Polymer, wobei polare Gruppen in Seitenketten von Silikonkautschuk oder dergleichen eingebracht wurden, und elastische Elektroden enthält. In dem Patentliteraturbeispiel 2 ist ein Polymermaterial beschrieben, wobei ein Copolymer von (Meth)acrylsäureester, (Meth)acrylsäure, einer Ionenflüssigkeit, sowie Acrylnitril vernetzt wurde. In dem Patentliteraturbeispiel 3 ist ein Dielektrikum für einen hochmolekularen Aktuator aus einem Block-Copolymer (A) beschrieben, das einen Polymerblock (
Literatur der Vorläufertechnik Literature of the precursor technique
Patentliteraturpatent literature
- Patentliteraturbeispiel 1: Patentoffenlegungsschrift 2008-199784Patent Literature Example 1: Patent Publication 2008-199784
- Patentliteraturbeispiel 2: Patentoffenlegungsschrift 2015-67662Patent Literature Example 2: Patent Publication 2015-67662
- Patentliteraturbeispiel 3: Internationale Veröffentlichung 2009/025187Patent Literature Example 3: International Publication 2009/025187
- Patentliteraturbeispiel 4: Patentoffenlegungsschrift 2011-072112Patent Literature Example 4: Patent Publication No. 2011-072112
- Patentliteraturbeispiel 5: Patentoffenlegungsschrift 2015-187931Patent Literature Example 5: Patent Publication 2015-187931
Kurzdarstellung der ErfindungBrief description of the invention
Aufgabe, die die Erfindung lösen sollTask to solve the invention
Wenn polare Gruppen in ein Elastomer eingebracht werden, wird die Polarität des Elastomers hoch und die relative Dielektrizitätskonstante groß. In diesem Fall wird die entwickelte Kraft, die bei Anlegung einer Spannung erhalten wird, gemäß der folgenden Formel (i) groß. Daher wurden die Untersuchungen bisher von dem Gesichtspunkt angestellt, auf welche Weise viele polare Gruppen eingebracht werden können, um die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht groß zu gestalten.
Doch die Erfinder der vorliegenden Erfindung sind durch wiederholte eifrige Untersuchungen zu der Erkenntnis gelangt, dass nur durch Vermehren der Menge der polaren Gruppen in dem Elastomer lediglich der Elastizitätsmodul groß wird, aber keine ausreichende Wirkung zur Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstanten erhalten werden kann. Als Grund dafür wird angenommen, dass bei einer Zunahme der Menge der polaren Gruppen die polaren Gruppen untereinander oder die polaren Gruppen und die Elastomerkette interferieren und die polaren Gruppen durch die Wechselwirkung agglutinieren. Beispielsweise weist Acrylnitril eine polare Gruppe (Cyanogruppe: -CN) auf. Doch Polyacrylnitril, wofür es polymerisiert wurde, ist hart, und auch seine relative Dielektrizitätskonstante ist mit etwa 4 nicht hoch. Bei dem Polymermaterial, das in dem Patentliteraturbeispiel 2 beschrieben ist, ist Acrylnitril copolymerisiert. Es lässt sich jedoch nicht sagen, dass nur dadurch eine ausreichende Wirkung zur Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstanten besteht. In Absatz [0028] dieses Patentliteraturbeispiels ist beschrieben, dass das Elastizitätsmodul groß wird, wenn die enthaltene Menge an Acrylnitril
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts dieser Umstände und hat die Aufgabe, ein weiches dielektrisches Elastomermaterial mit einer großen relativen Dielektrizitätskonstanten bereitzustellen. Außerdem soll sie einen weichen Wandler, wofür dieses dielektrische Elastomermaterial verwendet wird, bereitstellen.The present invention has been made in view of these circumstances and has an object to provide a soft dielectric elastomer material having a large relative dielectric constant. It is also intended to provide a soft transducer for which this dielectric elastomeric material is used.
Mittel zur Lösung der AufgabeMeans of solving the task
(1) Das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Copolymer mit einem Aufbau, wofür wenigstens eines aus einem Monomer A und einem Monomer C, das eine vernetzbare funktionelle Gruppe aufweist, und ein Monomer B, das eine polare Gruppe aufweist, statistisch oder alternierend copolymerisiert wurden, enthält, wobei in dem Copolymer die polare Gruppe in den aus dem Monomer B bestehenden Aufbaueinheiten über wenigstens drei geradkettig verbundene Atome mit der Polymerhauptkette gekoppelt ist.(1) The dielectric elastomeric material of the present invention is characterized by being a copolymer having a constitution of which at least one of a monomer A and a monomer C having a crosslinkable functional group and a monomer B having a polar group , randomly or alternately copolymerized, wherein in the copolymer the polar group in the constituent units consisting of the monomer B is coupled to the polymer main chain via at least three straight-chain connected atoms.
Das Copolymer, das das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung bildet, enthält Aufbaueinheiten aus dem Monomer B, das eine polare Gruppe enthält. Die polare Gruppe ist eine funktionelle Gruppe mit hoher Polarität. In den Aufbaueinheiten aus dem Monomer B ist die polare Gruppe über wenigstens drei geradkettig verbundene Atome mit der Polymerhauptkette gekoppelt. Mit anderen Worten sind zwischen den polaren Gruppen und der Polymerhauptkette wenigstens drei geradlinig verbundene Atome vorhanden. Durch das Entfernen der polaren Gruppen und der Polymerhauptkette voneinander interferieren die polaren Gruppen kaum mit der Polymerhauptkette und wird die Bewegung der polaren Gruppen durch die Polymerkette kaum eingeschränkt. Dadurch werden die polaren Gruppen leicht beweglich und kann die Weichheit des Copolymers, und folglich des dielektrischen Elastomermaterials, erhöht werden. Da außerdem die Besonderheit der polaren Gruppen, dass die Polarität hoch ist, in vollem Umfang hervorgebracht wird, kann die relative Dielektrizitätskonstante des Copolymers, und daher des dielektrischen Elastomermaterials, erhöht werden.The copolymer constituting the dielectric elastomeric material of the present invention contains constituent units of the monomer B containing a polar group. The polar group is a functional group with high polarity. In the constituent units of the monomer B, the polar group is coupled to the polymer main chain via at least three straight-chain connected atoms. In other words, there are at least three straight-chain atoms between the polar groups and the main polymer chain. By removing the polar groups and the polymer backbone from each other, the polar groups hardly interfere with the main polymer chain and scarcely restrict the movement of the polar groups through the polymer chain. This makes the polar groups easily mobile and can increase the softness of the copolymer, and hence of the dielectric elastomeric material. In addition, since the peculiarity of the polar groups that the polarity is high is brought about in full, the relative dielectric constant of the copolymer, and hence the dielectric elastomeric material, can be increased.
Das Copolymer, das das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung bildet, weist den Aufbau eines statistischen Copolymers oder eines alternierenden Copolymers auf Basis wenigstens eines aus dem Monomer A und dem Monomer C, und des Monomers B auf. Die Aufbaueinheiten des Copolymers sind ein Beliebiges aus A-B, B-C und A-B-C (für die Anordnungsreihenfolge der sich wiederholenden Einheiten bestehen keine Beschränkungen). Da die einzelnen Aufbaueinheiten zufällig oder abwechselnd gekoppelt sind, folgen Aufbaueinheiten aus dem Monomer B, das die polare Gruppe aufweist, verglichen mit dem Aufbau eines BlockCopolymers kaum aufeinander. Das heißt, es kommt kaum dazu, dass Aufbaueinheiten aus dem Monomer B mit der polaren Gruppe einander benachbart sind. Dadurch wird eine Interferenz der polaren Gruppen untereinander unterdrückt und werden die polaren Gruppen leicht beweglich. Folglich kann die Weichheit des Copolymers, und folglich des dielektrischen Elastomermaterials, erhöht werden. Da außerdem die Besonderheit der polaren Gruppen, dass die Polarität hoch ist, in vollem Umfang hervorgebracht wird, kann die relative Dielektrizitätskonstante des Copolymers, und daher des dielektrischen Elastomermaterials, erhöht werden.The copolymer constituting the dielectric elastomeric material of the present invention has the constitution of a random copolymer or an alternating copolymer based on at least one of the monomer A and the monomer C, and the monomer B. The constituent units of the copolymer are any of A-B, B-C and A-B-C (the arrangement order of the repeating units is not limited). Since the constituent constituent units are randomly or alternately coupled, constituent units of the monomer B having the polar group hardly follow each other as compared with the structure of a block copolymer. That is to say, constituent units of the monomer B having the polar group are scarcely adjacent to each other. This suppresses interference between the polar groups and makes the polar groups easily mobile. Consequently, the softness of the copolymer, and hence the dielectric elastomeric material, can be increased. In addition, since the peculiarity of the polar groups that the polarity is high is brought about in full, the relative dielectric constant of the copolymer, and hence the dielectric elastomeric material, can be increased.
In dem Patentliteraturbeispiel
(2) Der Wandler der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine dielektrische Schicht aus dem oben beschriebenen dielektrischen Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung, und mehrere Elektroden, die mit der dielektrischen Schicht dazwischen angeordnet werden, umfasst.(2) The converter of the present invention is characterized by comprising a dielectric layer of the above-described dielectric elastomer material of the present invention, and a plurality of electrodes interposed therebetween with the dielectric layer.
Wie oben beschrieben, ist die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Elastomermaterials der vorliegenden Erfindung hoch. Daher ist bei der dielektrischen Schicht des Wandlers der vorliegenden Erfindung die statische Anziehung in Bezug auf die angelegte Spannung groß. Zudem ist das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung weich. Daher können bei dem Wandler der vorliegenden Erfindung auch im Fall einer verhältnismäßig kleinen angelegten Spannung eine große Kraft und ein großes Verschiebungsausmaß erhalten werden.As described above, the relative dielectric constant of the dielectric elastomer material of the present invention is high. Therefore, in the dielectric layer of the transducer of the present invention, the static attraction with respect to the applied voltage is large. In addition, the dielectric elastomer material of the present invention is soft. Therefore, in the converter of the present invention, even in the case of a relatively small applied voltage, a large force and a large amount of displacement can be obtained.
Figurenlistelist of figures
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1 ist eine geschnittene schematische Ansicht eines Aktuators, der eine Ausführungsform des Wandlers der vorliegenden Erfindung darstellt.1 Fig. 12 is a sectional schematic view of an actuator which is an embodiment of the transducer of the present invention. -
2 ist eine vorderseitige Frontansicht eines an einer Messvorrichtung angebrachten Aktuators.2 Fig. 10 is a front front view of an actuator attached to a measuring device. -
3 ist eine Schnittansicht entlang von III-III in2 .3 is a sectional view taken along III-III in FIG2 , -
4 ist eine Draufsicht auf einen Aktuator zur Messung des Verschiebungsausmaßes.4 Figure 11 is a plan view of an actuator for measuring the amount of displacement. -
5 ist eine Schnittansicht entlang von V-V in4 .5 is a sectional view taken along VV in FIG4 ,
Erklärung der BezugszeichenExplanation of the reference numbers
- 1: Aktuator (Wandler); 10: dielektrische Schicht; 11a, 11b: Elektrode; 12a, 12b: Verdrahtung1: actuator (transducer); 10: dielectric layer; 11a, 11b: electrode; 12a, 12b: Wiring
- 5: Aktuator; 50: dielektrische Schicht; 51a, 51b: Elektrode; 52: obere Einspanneinrichtung; 53: untere Einspanneinrichtung5: actuator; 50: dielectric layer; 51a, 51b: electrode; 52: upper chuck; 53: lower clamping device
- 6: Aktuator; 60: dielektrische Schicht; 61a, 61b: Elektrode; 62: Stromquelle; 63: Verschiebungsmesser; 610a, 610b: Klemmenabschnitt; 630: Markierung6: actuator; 60: dielectric layer; 61a, 61b: electrode; 62: power source; 63: displacement meter; 610a, 610b: terminal portion; 630: marking
Ausführungsweisen der Erfindung Embodiments of the invention
Nachstehend werden Ausführungsweisen für das dielektrische Elastomermaterial und den Wandler der vorliegenden Erfindung erklärt. Das dielektrische Elastomermaterial und der Wandler der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf die nachstehenden Formen beschränkt; innerhalb eines Umfangs, der nicht von dem Hauptinhalt der vorliegenden Erfindung abweicht, können verschiedene Formen, an denen für einen Fachmann machbare Änderungen, Verbesserungen usw. vorgenommen wurden, ausgeführt werden.Embodiments for the dielectric elastomeric material and the transducer of the present invention will be explained below. However, the dielectric elastomeric material and the transducer of the present invention are not limited to the following forms; Within a scope that does not depart from the gist of the present invention, various forms may be made to which any person skilled in the art can make changes, improvements, etc.
Das dielektrische ElastomermaterialThe dielectric elastomeric material
Das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung enthält ein Copolymer mit einem Aufbau, wofür wenigstens eines aus einem Monomer A und einem Monomer C, das eine vernetzbare funktionelle Gruppe aufweist, und ein Monomer B, das eine polare Gruppe aufweist, statistisch oder alternierend copolymerisiert wurden.The dielectric elastomeric material of the present invention contains a copolymer having a structure for which at least one of a monomer A and a monomer C having a crosslinkable functional group and a monomer B having a polar group has been randomly or alternately copolymerized.
Das Monomer AThe monomer A
Für das Monomer A bestehen keine wesentlichen Beschränkungen. Wenn das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung als dielektrische Schicht eines Wandlers verwendet wird, ist die Wahl eines Monomers mit einer vergleichsweise großen relativen Dielektrizitätskonstanten, das Weichheit hervorbringen kann, ratsam. Außerdem ist die Wahl eines Monomers, das mit dem Monomer B copolymerisierbar ist, und dessen Glasübergangspunkt (Tg) als Copolymer höchstens die Normaltemperatur (20 °C) erreicht, ratsam. Beispielsweise können Monomere, die für Isoprenkautschuk, Butadienkautschuk, Ethylenpropylenkautschuk, Nitrilkautschuk, Chloroprenkautschuk, Butylkautschuk, chlorsulfonierten Polyethylenkautschuk, Fluorkautschuk, thermoplastische Elastomere, Acrylkautschuk, Silikonkautschuk und Urethankautschuk verwendet werden, angeführt werden. Unter den genannten sind von dem Gesichtspunkt der leichten Copolymerisierbarkeit mit dem Monomer B für Acrylkautschuk, Silikonkautschuk und Urethankautschuk verwendete Monomere, das heißt, (Meth)acrylatmonomere, Silikonmonomere und Urethanmonomere ideal. Bei dem Monomer A kann es sich um eine Art, aber auch um zwei oder mehr Arten handeln.For the monomer A, there are no significant restrictions. When the dielectric elastomeric material of the present invention is used as a dielectric layer of a transducer, it is advisable to choose a monomer having a comparatively large relative dielectric constant which can provide softness. In addition, the choice of a monomer which is copolymerizable with the monomer B and whose glass transition point (Tg) as a copolymer reaches at most the normal temperature (20 ° C) is advisable. For example, monomers used for isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber, butyl rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, fluororubber, thermoplastic elastomers, acrylic rubber, silicone rubber and urethane rubber can be given. Among the above, monomers used from the viewpoint of easy copolymerizability with the monomer B for acrylic rubber, silicone rubber and urethane rubber, that is, (meth) acrylate monomers, silicone monomers and urethane monomers are ideal. The monomer A may be one kind but may also be two or more species.
Der Ausdruck „(Meth)acrylmonomere“ bedeutet, dass er sowohl Acrylate als auch Methacrylate umfasst. „(Meth)acrylatmonomere“ bedeuten Monomere, die (Meth)acryloylgruppen enthalten. Der Ausdruck „(Meth)acryloylgruppen“ bedeutet, dass er sowohl Acryloylgruppen als auch Methacryloylgruppen umfasst. Als (Meth)acrylatmonomere sind Alkyl(meth)acrylate wie Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Propyl(meth)acrylat, Butyl(meth)acrylat, Isobutyl(meth)acrylat, t-Butyl(meth)acrylat; Hexyl(meth)acrylat, 2-Ethylhexyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat, Octyl(meth)acrylat, Isooctyl(meth)acrylat, Dodecyl(meth)acrylat, Tetradecyl(meth)acrylat, Hexadecyl(meth)acrylat, Octadecyl(meth)acrylat, oder dergleichen ideal.The term "(meth) acrylic monomers" means that it includes both acrylates and methacrylates. "(Meth) acrylate monomers" means monomers containing (meth) acryloyl groups. The term "(meth) acryloyl groups" means that it includes both acryloyl groups and methacryloyl groups. As (meth) acrylate monomers are alkyl (meth) acrylates such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, t-butyl (meth) acrylate; Hexyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, octyl (meth) acrylate, isooctyl (meth) acrylate, dodecyl (meth) acrylate, tetradecyl (meth) acrylate, hexadecyl (meth) acrylate, Octadecyl (meth) acrylate, or the like.
Wenn ein Alkyl(meth)acrylat verwendet wird, ist erwünscht, dass die Kohlenstoffzahl der Alkylgruppe wenigstens 1 und höchstens 12 beträgt. Noch idealer beträgt sie höchstens 8. Mit der Zunahme der Kohlenstoffzahl wird die Alkylgruppe länger und größer. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass es leicht zu einer Interferenz der polaren Gruppe des Monomers B mit der Alkylgruppe des Monomers A kommt und die Wirkung zur Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstanten gering wird. Wenn die Alkylgruppe länger wird, nimmt außerdem die Kristallinität zu und nimmt die Weichheit ab.When an alkyl (meth) acrylate is used, it is desirable that the carbon number of the alkyl group is at least 1 and at most 12. Even more ideally, it is at most 8. As the carbon number increases, the alkyl group becomes longer and larger. In this case, there is a fear that interference of the polar group of the monomer B with the alkyl group of the monomer A is likely to occur and the effect of increasing the relative dielectric constant becomes small. In addition, as the alkyl group becomes longer, crystallinity increases and softness decreases.
Silikonmonomere bedeuten Monomere, bei denen eine Siloxanbindung möglich ist. Als Silikonmonomere sind Diethoxydimethylsilan, das eine bifunktionelle Alkoxygruppe aufweist, Diethoxymethylsilan, Diethoxymethylvinylsilan, Dimethoxydimethylsilan, Dimethoxy(methyl)silan, Dimethoxymethylvinylsilan, oder dergleichen ideal. Urethanmonomere bedeuten Monomere, bei denen eine Urethanbindung möglich ist.Silicone monomers mean monomers for which siloxane bonding is possible. As silicone monomers, diethoxydimethylsilane having a bifunctional alkoxy group, diethoxymethylsilane, diethoxymethylvinylsilane, dimethoxydimethylsilane, dimethoxy (methyl) silane, dimethoxymethylvinylsilane, or the like are ideal. Urethane monomers are monomers where urethane bonding is possible.
Das Monomer BThe monomer B
Das Monomer B weist eine polare Gruppe auf. Es ist es ratsam, dass die polare Gruppe eine funktionelle Gruppe aus Bindungen ist, die ein hohes Dipolmoment, das mit der relativen Dielektrizitätskonstanten wechselwirkt, aufweisen. Konkret können etwa eine Cyanogruppe, eine Ethergruppe, eine Estergruppe, eine Fluorgruppe, eine Trifluormethylgruppe, eine Carbonatgruppe, oder dergleichen, bei denen es sich um bereits bekannte hochpolare Gruppen handelt, angeführt werden.The monomer B has a polar group. It is advisable that the polar group is a functional group of bonds that has a high dipole moment that interacts with the relative dielectric constant. Concretely, there may be mentioned, for example, a cyano group, an ether group, an ester group, a fluoro group, a trifluoromethyl group, a carbonate group, or the like, which are already known high-polar groups.
In dem Copolymer sind die polaren Gruppen in den Aufbaueinheiten aus dem Monomer B über wenigstens drei geradlinig verbundene Atome mit der Polymerhauptkette gekoppelt. Von den Gesichtspunkten der Weichheit und der Steuerung der Polymerisation her beträgt die Anzahl der Atome, die in einer Reihe zwischen der polaren Gruppe und der Polymerhauptkette vorhanden sind, noch besser wenigstens vier. Wenn die Anzahl der polaren Gruppen eine Mehrzahl ist, wird die Anzahl der Atome zwischen der polaren Gruppe, die der Polymerhauptkette am nächsten liegt, und der Polymerhauptkette gezählt. Es ist günstig, wenn es sich bei den Atomen, die in einer Reihe zwischen der polaren Gruppe und der Polymerhauptkette vorhanden sind, um wenigstens eine Art aus Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Schwefel (S) handelt. Beispielsweise kann für das Gerüst des Monomers B mit Ausnahme der polaren Gruppe Acryl(meth)acrylat mit einer Kohlenstoffzahl der Alkylgruppe von wenigstens 2, Silan, das eine bifunktionelle Alkoxygruppe und eine Alkylgruppe mit einer Kohlenstoffzahl von wenigstens 2 aufweist, oder dergleichen angeführt werden.In the copolymer, the polar groups in the constituent units of the monomer B are coupled to the polymer main chain via at least three rectilinear connected atoms. From the point of view In terms of softness and polymerization control, the number of atoms present in a line between the polar group and the polymer backbone is more preferably at least four. When the number of polar groups is a plural number, the number of atoms between the polar group closest to the polymer main chain and the main polymer chain is counted. It is preferable that the atoms existing in a row between the polar group and the polymer main chain are at least one kind of carbon (C), oxygen (O), nitrogen (N) and sulfur (S) , For example, for the skeleton of the monomer B other than the polar group, acrylic (meth) acrylate having a carbon number of the alkyl group of at least 2, silane having a bifunctional alkoxy group and an alkyl group having a carbon number of at least 2, or the like can be given.
Um das Obige zusammenzufassen, sind für das Monomer B Cyanomethyl(meth)acrylat (Anzahl der Atome zwischen der Polymerhauptkette und der Cyanogruppe: 3), Cyanoethyl(meth)acrylat (Anzahl der Atome zwischen der Polymerhauptkette und der Cyanogruppe: 4), Cyanopropyl(meth)acrylat (Anzahl der Atome zwischen der Polymerhauptkette und der Cyanogruppe: 5), Cyanobutyl(meth)acrylat (Anzahl der Atome zwischen der Polymerhauptkette und der Cyanogruppe: 6), oder dergleichen ideal. Außerdem sind cyanogruppenmodifiziertes Silan, wofür Dimethoxy-3-Mercaptopropylmethylsilan mit Acrylnitril reagiert wurde (Anzahl der Atome zwischen der Polymerhauptkette und der Cyanogruppe: 6), cyanogruppenmodifiziertes Silan, wofür Dimethoxy-3-Mercaptopropylmethylsilan mit 2-Methylenglutarnitril reagiert wurde (Anzahl der Atome zwischen der Polymerhauptkette und der Cyanogruppe: 6), und dergleichen ideal. Von den Genannten kann eine Art allein verwendet werden, doch können auch zwei oder mehr Arten gemeinsam verwendet werden.To summarize the above, for the monomer B, cyanomethyl (meth) acrylate (number of atoms between the polymer main chain and the cyano group: 3), cyanoethyl (meth) acrylate (number of atoms between the polymer main chain and the cyano group: 4), cyanopropyl ( meth) acrylate (number of atoms between the polymer main chain and the cyano group: 5), cyanobutyl (meth) acrylate (number of atoms between the polymer main chain and the cyano group: 6), or the like. In addition, cyano group-modified silane for which dimethoxy-3-mercaptopropylmethylsilane was reacted with acrylonitrile (number of atoms between the polymer main chain and the cyano group: 6), cyano group-modified silane, for which dimethoxy-3-mercaptopropylmethylsilane was reacted with 2-methyleneglutaronitrile (number of atoms between the Polymer backbone and cyano group: 6), and the like are ideal. Of those named, one species may be used alone, but two or more species may be shared.
Wenn die enthaltene Menge an polaren Gruppen hoch wird, nimmt die Weichheit des Copolymers ab. Doch wenn zu wenig polare Gruppen vorhanden sind, wird keine Wirkung zur Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstanten erhalten. Aus diesem Grund ist es ratsam, dass die enthaltene Menge an polaren Gruppen bei Ansetzen des gesamten Copolymers als 100 Masse-% wenigstens 10 Masse-% und ideal wenigstens 12 Masse-% beträgt. Außerdem ist es ratsam, dass die enthaltene Menge an polaren Gruppen bei Ansetzen des gesamten Copolymers als 100 Masse-% höchstens 25 Masse-% und ideal höchstens 22 Masse-% beträgt. Aus dem gleichen Grund ist es ratsam, dass die enthaltene Menge des Monomers B bei Ansetzen des gesamten Copolymers als 100 Mol-% wenigstens 50 Mol-% und ideal wenigstens 60 Mol-% beträgt. Außerdem ist es ratsam, dass die enthaltene Menge des Monomers B bei Ansetzen des gesamten Copolymers als 100 Mol-% höchstens 98 Mol-% und ideal höchstens 90 Mol-% beträgt.As the amount of polar groups contained becomes high, the softness of the copolymer decreases. However, if there are too few polar groups, no effect for increasing the relative dielectric constant is obtained. For this reason, it is advisable that the amount of polar group contained when the total copolymer is used as 100% by mass is at least 10% by mass, and ideally at least 12% by mass. In addition, it is advisable that the amount of polar group contained when the total copolymer is used as 100% by mass is at most 25% by mass, and ideally at most 22% by mass. For the same reason, it is advisable that the amount of the monomer B contained when the total copolymer is used as 100 mol% is at least 50 mol%, and ideally at least 60 mol%. In addition, it is advisable that the amount of the monomer B contained when the total copolymer is used as 100 mol% is at most 98 mol%, and ideally at most 90 mol%.
Das Monomer CThe monomer C
Das Monomer C weist eine vernetzbare funktionelle Gruppe (Vernetzungsgruppe auf) und erfüllt die Rolle des Vernetzens des Copolymers. Als vernetzbare funktionelle Gruppe kann eine Hydroxygruppe, eine Aminogruppe, eine Thiolgruppe, eine Carboxylgruppe, eine Silanolgruppe, eine Epoxidgruppe, eine Vinylgruppe, oder dergleichen angeführt werden. Wenn das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung als dielektrische Schicht eines Wandlers verwendet wird, ist es ratsam, als Monomer C ein Monomer mit einer verhältnismäßig großen relativen Dielektrizitätskonstanten zu wählen. Beispielsweise können (Meth)acrylsäure, (Meth)acrylsäurehydroxyethyl, (Meth)acrylamid, (Meth)acrylsäureglycidyl, 3-Aminopropyldimethoxymethylsilan, Dimethoxymethylvinylsilan, 3-Glycidyloxipropyl(dimethoxy)methylsilan, 3-Mercaptopropyl(dimethoxy)methylsilan, 3-Aminopropyldiethoxymethylsilan, Diethoxy(3-glycidyloxypropyl)methylsilan, Diethoxymethylvinylsilan, oder dergleichen angeführt werden.The monomer C has a crosslinkable functional group (crosslinking group) and serves the role of crosslinking the copolymer. As the crosslinkable functional group, a hydroxy group, an amino group, a thiol group, a carboxyl group, a silanol group, an epoxy group, a vinyl group, or the like can be given. When the dielectric elastomer material of the present invention is used as a dielectric layer of a transducer, it is advisable to choose as monomer C a monomer having a relatively large relative dielectric constant. For example, (meth) acrylic acid, (meth) acrylic acid hydroxyethyl, (meth) acrylamide, (meth) acrylic acid glycidyl, 3-aminopropyldimethoxymethylsilane, dimethoxymethylvinylsilane, 3-glycidyloxipropyl (dimethoxy) methylsilane, 3-mercaptopropyl (dimethoxy) methylsilane, 3-aminopropyldiethoxymethylsilane, diethoxy ( 3-glycidyloxypropyl) methylsilane, diethoxymethylvinylsilane, or the like.
Das CopolymerThe copolymer
Das Copolymer, das das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung bildet, weist den Aufbau eines statistischen Copolymers oder eines alternierenden Copolymers aus wenigstens einem aus dem Monomer A und dem Monomer C, und dem Monomer B auf. Für das Verfahren zur Herstellung des Copolymers bestehen keine wesentlichen Beschränkungen. Beispielsweise kann ein beliebiges aus einem statistischen Copolymer oder einem alternierenden Copolymer des Monomers A und des Monomers B, einem statistischen Copolymer oder einem alternierenden Copolymer des Monomers B und des Monomers C, und einem statistischen Copolymer oder einem alternierenden Copolymer des Monomers A, des Monomers B und des Monomers C angeführt werden. Außerdem ist es möglich, nach einer statistischen oder alternierenden Copolymerisation wenigstens eines aus dem Monomer A und dem Monomer C, und eines Vorläufers des Monomers B (eines Monomers B', das keine polare Gruppe aufweist) ein Monomer mit einer polaren Gruppe mit den Aufbaueinheiten des Monomers B' zu reagieren und Aufbaueinheiten des Monomers B, das eine polare Gruppe aufweist, zu synthetisieren. Das heißt, es ist möglich, nach der Herstellung eines Copolymers aus wenigstens einem aus dem Monomer A und dem Monomer C, und dem Monomer B' eine Modifikationsbehandlung vorzunehmen, um dem Monomer B' eine polare Gruppe zu verleihen. Beispielsweise kann im Fall der Verleihung einer Cyanogruppe ein cyanogruppenhaltiges Monomer wie Acrylnitril, 2-Methylenglutarnitril, Tetracyanoethylen, oder dergleichen verwendet werden.The copolymer constituting the dielectric elastomeric material of the present invention has the constitution of a random copolymer or an alternating copolymer of at least one of the monomer A and the monomer C, and the monomer B. There are no significant limitations to the process for making the copolymer. For example, any one of a random copolymer or an alternating copolymer of the monomer A and the monomer B, a random copolymer or an alternating copolymer of the monomer B and the monomer C, and a random copolymer or an alternating copolymer of the monomer A, the monomer B and the monomer C. Moreover, after random or alternating copolymerization, at least one of the monomer A and the monomer C, and a precursor of the monomer B (a monomer B 'having no polar group), it is possible to form a monomer having a polar group with the constituent units of the group Monomers B 'to react and synthesis units of the monomer B, which has a polar group to synthesize. That is, it is possible to prepare a copolymer of at least one of the monomer A and the monomer C, and the monomer B 'by a modification treatment to give the monomer B 'a polar group. For example, in the case of imparting a cyano group, a cyano group-containing monomer such as acrylonitrile, 2-methyleneglutaronitrile, tetracyanoethylene, or the like can be used.
Von dem Gesichtspunkt der Sicherstellung der Weichheit her ist es günstig, wenn das gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht des Copolymers wenigstens 10.000 beträgt. Noch idealer beträgt es wenigstens 50.000 und insbesondere wenigstens 80.000. Andererseits ist es von dem Gesichtspunkt der gleichmäßigen Löslichkeit in Bezug auf das erforderliche Lösemittel, das bei der Filmherstellung erforderlich ist, günstig, wenn es höchstens 5.000.000 beträgt, wobei höchstens 2.000.000 noch idealer ist. Das gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht kann unter Verwendung einer Gelpermeationschromatographie(GPC)-Vorrichtung gemessen werden.From the viewpoint of ensuring softness, it is favorable that the weight-average molecular weight of the copolymer is at least 10,000. Even more ideally, it is at least 50,000 and especially at least 80,000. On the other hand, from the viewpoint of uniform solubility with respect to the required solvent required in the film production, it is favorable if it is at most 5,000,000, with at most 2,000,000 being even more ideal. The weight-average molecular weight can be measured by using a gel permeation chromatography (GPC) apparatus.
Der Glasübergangspunkt (Tg) des Copolymers beträgt höchstens die Normaltemperatur (20 °C), und von dem Gesichtspunkt der Sicherstellung der Weichheit her sind höchstens 5 °C günstig. Noch idealer beträgt er höchstens 0 °C. Der Glasübergangspunkt kann unter Verwendung eines Differentialscanningkalorimeters (DSK) gemessen werden.The glass transition point (Tg) of the copolymer is at most the normal temperature (20 ° C), and from the viewpoint of ensuring softness, at most 5 ° C are favorable. Even better, it is at most 0 ° C. The glass transition point can be measured using a differential scanning calorimeter (DSC).
Es ist günstig, wenn die relative Dielektrizitätskonstante des Copolymers wenigstens 10 beträgt. In der vorliegenden Beschreibung wird die relative Dielektrizitätskonstante durch Anordnen einer Probe des Copolymers an einem Probenhalter (Modell 12962A von Solartron) und gleichzeitige Verwendung eines dielektrischen Interface (Modell 1296 der gleichen Firma) und eines Frequenzganganalysators (Modell 1255B der gleichen Firma) gemessen (Messfrequenz 100 Hz) .It is favorable if the relative dielectric constant of the copolymer is at least 10. In the present specification, the relative dielectric constant is measured by placing a sample of the copolymer on a sample holder (Model 12962A from Solartron) and simultaneously using a dielectric interface (model 1296 of the same company) and a frequency response analyzer (model 1255B of the same company) (measurement frequency 100) Hz).
Es ist es ratsam, dass das Copolymer einen vernetzten Aufbau aufweist, das heißt, ein vernetzter Körper ist. Wenn es einen vernetzten Aufbau aufweist, wird der Elastizitätsmodul groß und die mechanische Stärke groß. Außerdem wird auch die dielektrische Durchschlagfestigkeit groß. Um das Copolymer zu vernetzen, kann ein der Vernetzungsgruppe des Monomers C entsprechendes allgemein bekanntes Vernetzungsmittel, Vernetzungsbeschleunigungsmittel, Vernetzungshilfsmittel, oder dergleichen verwendet werden. Wenn zum Beispiel Schwefel verwendet wird, kommt es häufig dazu, dass in dem Copolymer nach der Vernetzung ein Reaktionsrückstand aus nicht reagiertem Schwefel, einem Vulkanisationsbeschleuniger, Zerfallsprodukten davon, oder dergleichen zurückbleibt. Der Reaktionsrückstand ionisiert und wird zur Ursache für eine Abnahme der dielektrischen Durchschlagfestigkeit des Copolymers, und folglich des dielektrischen Elastomermaterials. Folglich ist es aus dem Grund, die Ionenkomponente in dem Copolymer zu verringern, ratsam, als Vernetzungsmittel eine metallorganische Verbindung oder eine Isocyanatverbindung zu verwenden. Wenn eine metallorganische Verbindung verwendet wird, werden die aus der metallorganischen Verbindung gebildeten Metalloxidteilchen in dem Copolymer zerstreut. Daher kann die dielektrische Durchschlagfestigkeit des Copolymers noch weiter vergrößert werden. Für die metallorganische Verbindung können MetallAlkoxydverbindungen, Metallacylatverbindungen und Metallchelatverbindungen angeführt werden. Es kann eine einzelne daraus gewählte Art verwendet werden, doch können auch zwei oder mehr Arten gemeinsam verwendet werden. Es ist erwünscht, dass die metallorganische Verbindung wenigstens eine aus Titan, Zirconium, Aluminium, Silizium, Bor, Hafnium, Mangan, Eisen, Kobalt, Germanium, Yttrium, Niob, Lanthan, Cerium, Tantal, Wolfram und Magnesium gewählte Elementart enthält.It is advisable that the copolymer has a crosslinked structure, that is, a crosslinked body. If it has a crosslinked structure, the elastic modulus becomes large and the mechanical strength becomes large. In addition, the dielectric breakdown strength also becomes large. In order to crosslink the copolymer, a well-known crosslinking agent, crosslinking accelerator, crosslinking assistant or the like corresponding to the crosslinking group of the monomer C may be used. For example, when sulfur is used, a reaction residue of unreacted sulfur, a vulcanization accelerator, decomposition products thereof, or the like often occurs in the copolymer after crosslinking. The reaction residue ionizes and becomes the cause of a decrease in the dielectric breakdown strength of the copolymer, and hence the dielectric elastomeric material. Consequently, for the reason of reducing the ion component in the copolymer, it is advisable to use as the crosslinking agent an organometallic compound or an isocyanate compound. When an organometallic compound is used, the metal oxide particles formed from the organometallic compound are scattered in the copolymer. Therefore, the dielectric strength of the copolymer can be further increased. For the organometallic compound, metal alkoxide compounds, metal acylate compounds and metal chelate compounds can be cited. There may be used a single kind selected thereof, but two or more kinds may be shared. It is desirable that the organometallic compound contain at least one element selected from titanium, zirconium, aluminum, silicon, boron, hafnium, manganese, iron, cobalt, germanium, yttrium, niobium, lanthanum, cerium, tantalum, tungsten and magnesium.
Das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu dem Copolymer andere Bestandteile enthalten. Wenn zum Beispiel ein isolierendes Füllmaterial, das über elektrische Isolierfähigkeit verfügt, aufgenommen wird, wird die dielektrische Durchschlagfestigkeit des dielektrischen Elastomermaterials groß. Für das isolierende Füllmaterial sind anorganische Teilchen mit einem Volumenwiderstand von wenigstens 108 Ω·cm ideal. Beispielsweise können Teilchen von Titanoxid, Siliziumoxid, Zirconiumoxid, Bariumtitanat, Calciumcarbonat, Ton, kalziniertem Ton, Talk, oder dergleichen angeführt werden. Für das isolierende Füllmaterial kann eine Art allein verwendet werden, doch können auch zwei oder mehr Arten gemeinsam verwendet werden.The dielectric elastomeric material of the present invention may contain other ingredients in addition to the copolymer. For example, when an insulating filler having electrical insulating ability is picked up, the dielectric strength of the dielectric elastomeric material becomes large. For the insulating filler, inorganic particles having a volume resistivity of at least 10 8 Ω · cm are ideal. For example, particles of titania, silica, zirconia, barium titanate, calcium carbonate, clay, calcined clay, talc, or the like. For the insulating filler, one kind may be used alone, but two or more kinds may be used together.
Wenn ein piezoelektrisches Füllmaterial aufgenommen wird, kann das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung als piezoelektrische Schicht eines Wandlerelements, das über eine piezoelektrische Funktion verfügt, verwendet werden. Als piezoelektrisches Füllmaterial kann eine Verbindung, die piezoelektrische Eigenschaften aufweist, verwendet werden. Für die Verbindung, die piezoelektrische Eigenschaften aufweist, besteht keine Beschränkung auf organische Substanzen oder anorganische Substanzen, und zum Beispiel ist ein starkes Dielektrikum mit einem Kristallaufbau vom Perovskittyp ratsam. Beispielsweise können Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Kaliumniobat, Natriumniobat, Lithiumniobat, Kaliumnatriumniobat, Bleizirkonattitanat (PZT), Bariumstrontiumtitanat (BST), Bismutlanthantitanat (BLT), Strontiumbismuttantalat (SBT), oder dergleichen angeführt werden. Für das piezoelektrische Füllmaterial kann eine Art allein verwendet werden, doch können auch zwei oder mehr Arten gemeinsam verwendet werden.When a piezoelectric filler is picked up, the dielectric elastomeric material of the present invention can be used as a piezoelectric layer of a transducer element having a piezoelectric function. As the piezoelectric filler, a compound having piezoelectric properties can be used. For the compound having piezoelectric properties, there is no limitation to organic substances or inorganic substances, and for example, a strong dielectric having a perovskite-type crystal structure is advisable. For example, barium titanate, strontium titanate, potassium niobate, sodium niobate, lithium niobate, potassium sodium niobate, lead zirconate titanate (PZT), barium strontium titanate (BST), bismuth lanthanum titanate (BLT), strontium bismuth tantalate (SBT), or the like may be cited. For the piezoelectric filler, one kind may be used alone, but two or more kinds may be used together.
Das Verfahren zur Herstellung des dielektrischen ElastomermaterialsThe method of making the dielectric elastomeric material
Das dielektrische Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung kann durch statistisches oder alternierendes Copolymerisieren wenigstens eines aus dem Monomer A und dem Monomer C, und des Monomers B hergestellt werden. Oder es kann hergestellt werden, indem nach einer statistischen oder alternierenden Copolymerisation wenigstens eines aus dem Monomer A und dem Monomer C, und eines Vorläufers des Monomers B (eines Monomers B', das keine polare Gruppe aufweist) ein Monomer mit einer polaren Gruppe mit den Aufbaueinheiten des Monomers B' reagiert wird. Dabei kann dem erhaltenen Copolymer ein Vernetzungsmittel oder dergleichen beigegeben werden und das Copolymer vernetzt werden. Es ist auch eine Vermischung mit anderen Monomeren in einem die Funktion nicht beeinträchtigenden Ausmaß möglich. Außerdem können dem erhaltenen Copolymer andere Bestandteile wie ein isolierendes Füllmaterial, ein piezoelektrisches Füllmaterial, ein Plastifiziermittel, ein Bearbeitungshilfsmittel, ein Alterungsschutzmittel, ein Weichmacher, ein Färbemittel, oder dergleichen beigemischt werden.The dielectric elastomeric material of the present invention can be prepared by randomly or alternately copolymerizing at least one of the monomer A and the monomer C, and the monomer B. Or, it may be prepared by subjecting, after random or alternating copolymerization, at least one of the monomer A and the monomer C, and a precursor of the monomer B (a monomer B 'having no polar group) to a monomer having a polar group Assembly units of the monomer B 'is reacted. In this case, a crosslinking agent or the like may be added to the obtained copolymer, and the copolymer may be crosslinked. It is also possible to mix it with other monomers in a non-functional extent. In addition, other ingredients such as an insulating filler, a piezoelectric filler, a plasticizer, a processing aid, an aging inhibitor, a plasticizer, a coloring agent, or the like may be blended into the obtained copolymer.
Der WandlerThe converter
Der Wandler der vorliegenden Erfindung umfasst eine dielektrische Schicht aus dem obigen dielektrischen Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung und mehrere Elektroden, die mit der dielektrischen Schicht dazwischen angeordnet werden.The converter of the present invention comprises a dielectric layer of the above dielectric elastomeric material of the present invention and a plurality of electrodes interposed therebetween with the dielectric layer.
Von den Gesichtspunkten der Sicherstellung der Filmbildungsgenauigkeit und der Verringerung von Fehlern her ist es ratsam, dass die Dicke der dielektrischen Schicht wenigstens 5 µm beträgt. Wenn die Dicke der dielektrischen Schicht andererseits zu groß wird, wird für den Antrieb eine große Spannung erforderlich und werden die Kosten hoch. Daher ist es ratsam, dass die Dicke der dielektrischen Schicht höchstens 200 µm beträgt.From the viewpoints of ensuring film-forming accuracy and reducing errors, it is advisable that the thickness of the dielectric layer be at least 5 μm. On the other hand, if the thickness of the dielectric layer becomes too large, a large voltage is required for the drive and the cost becomes high. Therefore, it is advisable that the thickness of the dielectric layer is 200 μm or less.
Es ist ratsam, dass die mehreren Elektroden der dielektrischen Schicht folgend verformbar sind. Eine solche Elektrode kann unter Verwendung eines Bindemittels und eines leitenden Materials gebildet werden. Von dem Gesichtspunkt einer derartigen Bildung der Elektrode, dass der elektrische Widerstand auch beim Ausdehnen und Zusammenziehen nur schwer zunimmt, her ist als Bindemittel ein Elastomer ideal. Als Elastomer kann ein vernetzter Kautschuk wie Nitrilkautschuk (NBR), hydrierter Nitrilkautschuk (H-NBR), Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM), Silikonkautschuk, Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylkautschuk, Urethankautschuk, Epichlorhydrinkautschuk, chlorsulfoniertes Polystyrol, chloriertes Polyethylen, oder dergleichen, und ein thermoplastisches Elastomer auf Styrolbasis, Olefinbasis, PVC-Basis, Polyesterbasis, Polyurethanbasis, Polyamidbasis, oder dergleichen angeführt werden. Oder es kann auch ein durch Einbringen einer funktionellen Gruppe oder dergleichen modifiziertes Elastomer wie epoxidmodifizierter Acrylkautschuk, carboxylgruppenmodifizierter hydrierter Nitrilkautschuk, oder dergleichen verwendet werden.It is advisable that the multiple electrodes of the dielectric layer are subsequently deformable. Such an electrode may be formed using a binder and a conductive material. From the viewpoint of such formation of the electrode that the electric resistance is difficult to increase even when expanding and contracting, an elastomer is ideal as a binder. As the elastomer, a crosslinked rubber such as nitrile rubber (NBR), hydrogenated nitrile rubber (H-NBR), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), silicone rubber, natural rubber, styrene-butadiene rubber (SBR), acrylic rubber, urethane rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polystyrene, chlorinated polyethylene, or the like, and a styrene-based, olefin-based, PVC-based, polyester-based, polyurethane-based, polyamide-based, or the like thermoplastic elastomer may be mentioned. Or, an elastomer modified by incorporation of a functional group or the like, such as epoxy-modified acrylic rubber, carboxyl group-modified hydrogenated nitrile rubber, or the like may also be used.
Für die Art des leitenden Materials bestehen keine wesentlichen Beschränkungen. Es kann passend aus leitendem Kohlenstoffpulver wie Ruß, Kohlenstoffnanoröhren, Graphit, Graphen, oder dergleichen, Metallpulver von Silber, Gold, Kupfer, Nickel, Rhodium, Palladium, Chrom, Titan, Platin, Eisen sowie Legierungen davon, oder dergleichen, usw. gewählt werden. Es ist auch möglich, ein Pulver aus mit Metall überzogenen Teilchen wie etwa silberüberzogenes Kupferpulver oder dergleichen zu verwenden. Es kann auch ein leitendes Polymer mit einem Aufbau, dem π-Elektronen zugeordnet wurden, verwendet werden. Es ist möglich, nur eine Art der Genannten zu verwenden, doch können auch zwei oder mehr Arten gemeinsam verwendet werden.There are no significant restrictions on the type of conductive material. It may be suitably selected from conductive carbon powder such as carbon black, carbon nanotubes, graphite, graphene or the like, metal powders of silver, gold, copper, nickel, rhodium, palladium, chromium, titanium, platinum, iron and alloys thereof, or the like, etc. , It is also possible to use a powder of metal-coated particles such as silver-coated copper powder or the like. Also, a conductive polymer having a structure associated with π-electrons may be used. It is possible to use only one kind of the same, but two or more kinds may be shared.
Die Elektroden können zusätzlich zu dem Bindemittel und dem leitenden Material je nach Notwendigkeit Beigabemittel wie ein Dispergiermittel, ein Plastifiziermittel, ein Alterungsschutzmittel, ein Färbemittel, oder dergleichen enthalten. Wenn beispielsweise ein Elastomer als Bindemittel verwendet wird, kann ein leitendes Auftragematerial angefertigt werden, indem einer Polymerlösung, wofür das Polymer des Elastomeranteils durch ein Lösemittel gelöst wurde, das leitende Material und, je nach Notwendigkeit, Beigabemittel beigegeben werden und verrührt und vermischt werden. Eine Elektrode kann durch direktes Auftragen des angefertigten leitenden Auftragematerials auf eine Fläche der dielektrischen Schicht gebildet werden. Oder es ist möglich, die Elektrode durch Auftragen des leitenden Auftragematerials auf einen Trennfilm zu bilden, und die gebildete Elektrode zu einer Fläche der dielektrischen Schicht zu übertragen.The electrodes may contain addition agents such as a dispersant, a plasticizer, an anti-aging agent, a coloring agent, or the like, in addition to the binder and the conductive material, as necessary. For example, when an elastomer is used as a binder, a conductive coating material can be prepared by adding a polymer solution for which the polymer of the elastomer portion has been dissolved by a solvent, adding the conductive material and adding agents as necessary, and mixing and mixing. An electrode may be formed by directly applying the prepared conductive deposition material to a surface of the dielectric layer. Or, it is possible to form the electrode by applying the conductive coating material to a release film, and to transfer the formed electrode to a surface of the dielectric layer.
Wenn der Wandler der vorliegenden Erfindung als mehrschichtiger Aufbau, bei dem mehrere dielektrische Schichten und Elektroden abwechselnd geschichtet sind, ausgeführt wird, kann eine noch größere Kraft erzeugt werden. Bei dem Wandler der vorliegenden Erfindung kann an der äußersten Schicht auch eine Schutzschicht angeordnet werden. Durch das Anordnen der Schutzschicht kann die Isolierfähigkeit sichergestellt werden und der Wandler vor mechanischen Beanspruchungen von außen geschützt werden. Es ist ratsam, dass die Schutzschicht weich ist und über Elastizität verfügt. Es ist günstig, wenn die Schutzschicht so gebildet wird, dass sie zum Beispiel Urethankautschuk, Silikonkautschuk, NBR, H-NBR, Ethylen-Propylen-Copolymer-Kautschuk, EPDM, Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Acrylkautschuk, oder dergleichen enthält. Außerdem kann die dielektrische Schicht bei dem Wandler der vorliegenden Erfindung auch durch Aufeinanderschichten von gleichartigen oder verschiedenartigen Schichten aufgebaut werden. Außerdem kann auch eine Ionen-Fixierungsschicht, die über die Funktion zur Verstärkung der elektrischen Ladung verfügt, oder dergleichen auf die dielektrische Schicht geschichtet werden. When the converter of the present invention is embodied as a multilayered structure in which a plurality of dielectric layers and electrodes are alternately stacked, an even larger force can be generated. In the transducer of the present invention, a protective layer may also be disposed on the outermost layer. By arranging the protective layer, the insulating ability can be ensured and the transducer can be protected from mechanical stresses from the outside. It is advisable that the protective layer is soft and has elasticity. It is preferable that the protective layer be formed to contain, for example, urethane rubber, silicone rubber, NBR, H-NBR, ethylene-propylene copolymer rubber, EPDM, natural rubber, styrene-butadiene rubber, acrylic rubber, or the like. In addition, in the transducer of the present invention, the dielectric layer can also be constructed by stacking the same or different layers. In addition, an ion-fixing layer having the electric charge amplifying function or the like may also be laminated on the dielectric layer.
Nachstehend wird eine Ausführungsweise für den Wandler der vorliegenden Erfindung erklärt.
Das Monomer B weist als polare Gruppe eine Cyanogruppe (-CN) auf. Das Monomer C weist als funktionelle Gruppe eine Carboxylgruppe (-COOH) auf. Wie in der Formel (1) gezeigt, ist in der aus dem Monomer B bestehenden Aufbaueinheit in dem Copolymer das selbst gebundene Kohlenstoffatom der polaren Gruppe (-CN) als erstes Atom über vier geradkettig verbundene Atome (C-C-O-C) mit der Polymerhauptkette gekoppelt. Die relative Dielektrizitätskonstante des statistischen Copolymers beträgt 15, und der Elastizitätsmodul beträgt 0,8 MPa. Der vernetzte Körper des statistischen Copolymers ist in dem dielektrischen Elastomermaterial der vorliegenden Erfindung enthalten. Der Aktuator
Die Elektrode
Wenn zwischen dem Paar von Elektroden
In der aus dem Monomer B bestehenden Aufbaueinheit des Copolymers, das die dielektrische Schicht
Ausführungsformenembodiments
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung durch Ausführungsformen konkret erklärt.Hereinafter, the present invention will be concretely explained by embodiments.
Herstellung des CopolymersPreparation of the copolymer
Copolymer 1
Zunächst wurden 37,2 g (0,29 Mol) Butylacrylat als Monomer A, 86,3 g (0,69 Mol) Cyanoethylacrylat als Monomer B, und 1,4 g (0,02 Mol) Acrylsäure als Monomer C in einen Kolben mit drei Öffnungen gegeben und in 200 ml N,N-Dimethylformamid gelöst. Dann wurde 30 Minuten lang Stickstoff hindurchgeperlt. Danach wurden in Bezug auf die gesamte Monomermasse 0,1 Masse-% Azobisisobutyronitril als Radikalstarter beigegeben und erfolgten in einer Stickstoffatmosphäre bei 65 °C 14 Stunden lang eine Erhitzung und ein Rückfluss. Nach dem Ende der Reaktion erfolgten unter Verwendung von Methanol eine Wiederausfällung und eine Reinigung und wurde ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen, wodurch das Copolymer
Copolymer 2
Das Copolymer
Copolymer 3
Das Copolymer
Copolymer 4Copolymer 4
Das Copolymer
Copolymer 5
Das Copolymer
Copolymer 6
Das Copolymer
Copolymer 7Copolymer 7
Das Copolymer
Copolymer 8Copolymer 8
Das Copolymer
Copolymer 9Copolymer 9
Das Copolymer
Copolymer 10
Zunächst wurde DCEA als Monomer B hergestellt. 10,6 g (0,10 Mol) 2-Methylenglutarnitril, 9,2 g (0,10 Mol) 3-Mercapto-1-propanol, und 0,62 ml Diisopropylamin wurden in einen auberginenförmigen Kolben gegeben und nach einem Lösen in 100 ml Methanol
Anschließend wurden 97,6 g (0,78 Mol) Cyanoethylacrylat als Monomer B und 50,5 g (0,20 Mol) DCEA als Monomer B, und 1,4 g (0,02 Mol) Acrylsäure als Monomer C in einen Kolben mit drei Öffnungen gegeben und in 200 ml N,N-Dimethylformamid gelöst. Dann wurde 30 Minuten lang Stickstoff hindurchgeperlt. Danach wurden in Bezug auf die gesamte Monomermasse 0,1 Masse-% Azobisisobutyronitril als Radikalstarter beigegeben und erfolgten in einer Stickstoffatmosphäre bei 65 °C 14 Stunden lang eine Erhitzung und ein Rückfluss. Nach dem Ende der Reaktion erfolgten unter Verwendung von Methanol eine Wiederausfällung und eine Reinigung und wurde ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen, wodurch das Copolymer
Copolymer 11
Zunächst wurde CEVE als Monomer B hergestellt. 8,8 g (0,10 Mol) Ethylenglykolmonovinylether und 5,3g (0,10 Mol) Acrylnitril wurden in einen auberginenförmigen Kolben gegeben und nach einem Lösen in 100 ml einer wässrigen 2-M-Natriumhydroxidlösung 6 Stunden lang bei Raumtemperatur gerührt. Nach dem Ende der Reaktion wurde die organische Phase durch eine Scheidetätigkeit unter Verwendung von Dichlormethan und demineralisiertem Wasser gewonnen und wurde ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen, wodurch CEVE mit dem durch die nachstehende Formel (7) gezeigten Aufbau erhalten wurde.
Anschließend wurden 18,0 g (0,34 Mol) Acrylnitril als Monomer B, 90,4 g (0,64 Mol) CEVE als Monomer B, und 1,4 g (0,02 Mol) Acrylsäure als Monomer C in einen Kolben mit drei Öffnungen gegeben und in 200 ml N,N-Dimethylformamid gelöst. Dann wurde 30 Minuten lang Stickstoff hindurchgeperlt. Danach wurden in Bezug auf die gesamte Monomermasse 0,1 Masse-% Azobisisobutyronitril als Radikalstarter beigegeben und erfolgten in einer Stickstoffatmosphäre bei 65 °C 14 Stunden lang eine Erhitzung und ein Rückfluss. Nach dem Ende der Reaktion erfolgten unter Verwendung von Methanol eine Wiederausfällung und eine Reinigung und wurde ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen, wodurch das Copolymer
Copolymer 12
Das Copolymer
Copolymer 13Copolymer 13
Das Copolymer
Copolymer 14Copolymer 14
Zunächst wurden cyangruppenmodifiziertes Silan
Cyangruppenmodifiziertes Silan 1Cyano group modified
5,3 g (0,10 Mol) Acrylnitril, 19,8 g (0,11 Mol) Dimethoxy-
Cyangruppenmodifiziertes Silan 2Cyano group modified
10,6 g (0,10 Mol) 2-Methylenglutarnitril, 19,8 g (0,11 Mol) Dimethoxy-3-mercaptopropylmethylsilan und 0,62 ml Diisopropylamin wurden in einen auberginenförmigen Kolben gegeben und nach einem Lösen in 100 ml Methanol
Als Nächstes wurde das Copolymer ohne Verwendung des Monomers C aus dem Monomer A und dem Monomer B hergestellt. Zunächst wurden 40,9 g (0,34 Mol) Diethoxydimethylsilan als Monomer A und 77,0 g (0,33 Mol) des cyanmodifizierten Silans
Copolymer 15Copolymer 15
Das Copolymer
Copolymer 16Copolymer 16
Zunächst wurde carbonatgruppenmodifiziertes Silan als Monomer B hergestellt. 11,4 g (0,10 Mol) Vinylethylencarbonat, 19,8 g (0,11 Mol) Dimethoxy-3-mercaptopropylmethylsilan und 0,62 ml Diisopropylamin wurden in einen auberginenförmigen Kolben gegeben und nach einem Lösen in 100 ml Methanol bei Raumtemperatur
Als Nächstes wurde das Copolymer
Copolymer 17Copolymer 17
Das Copolymer
Copolymer 18Copolymer 18
Zunächst wurden nach einem Lösen von 1,25 g carboxylgruppenhaltigem NBR („XER-32“ von der JSR KK) in 100 ml Tetrahydrofuran (THF) 18,4 ml einer 0,5-M-THF-Lösung von 9-Borabicyclo[3.3.1]nonan (9-BBN) und 0,95 g 5-Chlorvaleronitril beigegeben und 0,5 Stunden lang gerührt. Anschließend wurden in einem Wasserbad 1,90 g Kalium-2,6-di-tert-butylphenol beigegeben und 2 Stunden lang gerührt. Nach dem Ende der Reaktion erfolgten unter Verwendung von Methanol eine Wiederausfällung und eine Reinigung und wurde ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen, wodurch das Copolymer
Copolymer 19 Copolymer 19
Zunächst wurden 88,4 g (0,69 Mol) Butylacrylat als Monomer A, 15,4 g (0,29 Mol) Acrylnitril als Monomer mit einer polaren Gruppe, und 1,4 g (0,02 Mol) Acrylsäure als Monomer C in einen Kolben mit drei Öffnungen gegeben und 30 Minuten lang Stickstoff hindurchgeperlt. Dann wurden in Bezug auf die gesamte Monomermasse 0,1 Masse-% Azobisisobutyronitril als Radikalstarter beigegeben und erfolgten in einer Stickstoffatmosphäre bei 65 °C 3 Stunden lang eine Erhitzung und ein Rückfluss. Nach dem Ende der Reaktion erfolgten unter Verwendung von Methanol eine Wiederausfällung und eine Reinigung und wurde ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen, wodurch das Copolymer
Copolymer 20Copolymer 20
Das Copolymer
Copolymer 21Copolymer 21
Das Copolymer
Messung der stofflichen Eigenschaften der CopolymereMeasurement of the material properties of the copolymers
Das gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht der hergestellten Copolymere wurde unter Verwendung einer GPC-Vorrichtung gemessen, und der Glasübergangspunkt wurde unter Verwendung der DSK gemessen. Außerdem wurden für die Messung der relativen Dielektrizitätskonstanten, des Volumenwiderstands und des Elastizitätsmoduls der Copolymere wie folgt hergestellte Proben für die Messung verwendet. Zunächst wurden die Copolymere in Acetylaceton gelöst und Polymerlösungen mit einer Feststoffanteilkonzentration von 20 Masse-% hergestellt. Dann wurden die hergestellten Polymerlösungen auf Substrate aufgetragen und getrocknet und danach bei 150 °C 60 Minuten lang erhitzt, wodurch dünnfilmförmige Proben für die Messung erhalten wurden.The weight-average molecular weight of the prepared copolymers was measured by using a GPC apparatus, and the glass transition point was measured by using DSC. In addition, samples prepared as follows for the measurement of the relative dielectric constants, the volume resistivity and the modulus of elasticity of the copolymers were used for the measurement. First, the copolymers were dissolved in acetylacetone and prepared polymer solutions having a solids content concentration of 20% by mass. Then, the prepared polymer solutions were coated on substrates and dried, followed by heating at 150 ° C for 60 minutes to obtain thin film samples for measurement.
Die relative Dielektrizitätskonstante The relative dielectric constant
Die relative Dielektrizitätskonstante wurde wie oben beschrieben unter Verwendung einer Vorrichtung von Solartron bei einer Frequenz von 100 Hz gemessen.The relative dielectric constant was measured as described above using a Solartron device at a frequency of 100 Hz.
Der VolumenwiderstandThe volume resistance
Der Volumenwiderstand wurde gemäß dem in JIS K6271:2008 bestimmten Parallelklemmenverfahren gemessen. Die Messung wurde unter Anlegung einer Gleichstromspannung von 100 V vorgenommen.The volume resistivity was measured according to the parallel clamp method determined in JIS K6271: 2008. The measurement was made applying a DC voltage of 100V.
Der ElastizitätsmodulThe modulus of elasticity
Der Elastizitätsmodul wurde gemäß dem in JIS K6254:2010 bestimmten Verfahren zur Messung des statischen Schermoduls gemessen. Für die Messung wurde ein streifenförmiges Versuchsstück mit der Form
In Tabelle 1 und Tabelle 2 sind die Zusammensetzung und die stofflichen Eigenschaften der Copolymere zusammengefasst. Die Copolymere
Wenn nun die Materialien mit den gleichen Basispolymeren wie bei den Ausführungsformen
Wenn nun die Copolymere
Die Copolymere
Aktuatoreigenschaften 1
Unter Verwendung der Copolymere
Zunächst werden die Messvorrichtung und das Verfahren zur Messung der dielektrischen Durchschlagfestigkeit erklärt.
Wie in
Der Aktuator
Die Messung der dielektrischen Durchschlagfestigkeit wurde unter stufenweiser Erhöhung der zwischen den Elektroden
Als Nächstes werden die Messvorrichtung und das Verfahren zur Messung der erzeugten Kraft erklärt. Die Messung der erzeugten Kraft wurde unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wie bei der Messung der dielektrischen Durchschlagfestigkeit vorgenommen (siehe
Wenn zwischen den Elektroden
Die Messergebnisse für die erzeugte Kraft, die Verschiebungsrate und die dielektrische Durchschlagfestigkeit der einzelnen Aktuatoren sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 gezeigt. The measurement results of the generated force, the displacement rate and the dielectric strength of the individual actuators are shown in Table 3 and Table 4.
Wie oben beschrieben wurde, unterscheidet sich bei den Copolymeren
Aktuatoreigenschaften 2
Unter Verwendung der Copolymere
Die Anionen-FixierungsschichtThe anion fixation layer
Zunächst wurde eine reaktive Ionenflüssigkeit hergestellt. In 5,0 g einer Lösung 1-Butyl-3-Methylimidazoliumhydrogencarbonat (Lösemittel: Mischlösung von Methanol/Wasser = 3 : 2; Konzentration
Als Nächstes wurde die Anionen-Fixierungsschicht hergestellt. Die hergestellte reaktive Ionenflüssigkeit wurde in einer Mischflüssigkeit, für die Titantetraisopropoxid und Acetylaceton in einem Molverhältnis von 1 : 1 gemischt wurden, gelöst. Dieser Mischflüssigkeit wurde Isopropylalkohol (IPA) beigegeben und ferner Wasser in der vierfachen Menge der Molanzahl des Titantetraisopropoxids eingetropft und eine Hydrolysereaktion vorgenommen. Auf diese Weise wurde ein Sol erhalten, das TiO2-Teilchen, an denen die Anionenkomponente der reaktiven Ionenflüssigkeit fixiert worden war, und die Kationenkomponente der reaktiven Ionenflüssigkeit enthielt. Das erhaltene Sol wurde mit einer 12 masse-%igen Lösung von carboxylgruppenmodifiziertem Nitrilkautschuk, (HX-NBR, „Therban (eingetragenes Warenzeichen) XT8889“, von der Lanxess KK) gemischt (Lösemittel: Acetylaceton). Das Sol wurde so gemischt, dass es in Bezug auf 100 Masseteile HX-NBR in TiO2 umgerechnet 2,4 Masseteile enthielt. Der Mischflüssigkeit, in die das Sol gemischt war, wurden 5 Masseteile einer Acetylacetonlösung von Tetrakis(2-ethylhexyloxy)titan (Konzentration: 20 Masse-%) als Vernetzungsmittel beigegeben, wodurch eine Elastomerzusammensetzung in einem flüssigen Zustand erhalten wurde. Die Elastomerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgetragen und nach dem Trocknen bei 150 °C eine Stunde lang erhitzt, wodurch die Anionen-Fixierungsschicht erhalten wurde. Die Dicke der Anionen-Fixierungsschicht betrug 10 µm.Next, the anion fixation layer was prepared. The prepared reactive ionic liquid was dissolved in a mixed liquid for which titanium tetraisopropoxide and acetylacetone were mixed in a molar ratio of 1: 1. To this mixed liquid was added isopropyl alcohol (IPA) and further added dropwise water in four times the number of moles of the titanium tetraisopropoxide, and a hydrolysis reaction was carried out. Thus, a sol containing TiO 2 particles to which the anionic component of the reactive ionic liquid was fixed and the cationic component of the reactive ionic liquid were obtained. The resulting sol was mixed with a 12% by mass solution of carboxyl group-modified nitrile rubber, (HX-NBR, "Therban (registered trademark) XT8889", from Lanxess KK) (solvent: acetylacetone). The sol was mixed so as to contain 2.4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of HX-NBR in TiO 2 . To the mixed liquid in which the sol was mixed, 5 parts by mass of an acetylacetone solution of tetrakis (2-ethylhexyloxy) titanium (concentration: 20% by mass) as a crosslinking agent was added to obtain an elastomer composition in a liquid state. The elastomer composition was coated on a substrate and heated after drying at 150 ° C for one hour to obtain the anion-fixing layer. The thickness of the anion-fixing layer was 10 μm.
Die Kationen-FixierungsschichtThe cation fixation layer
Zunächst wurde eine reaktive Ionenflüssigkeit hergestellt. In 16,2 g einer Lösung von 1-Methyl-3-vinylimidazoliummethylcarbonatsalz (Lösemittel: Mischlösung von Methanol/Wasser = 3 : 2; Konzentration 25 Masse-%; 0,022 Mol) wurden 3,80 Benzensulfonsäure-Monohydrat in der gleichen Molmenge (0,022 Mol) eingetropft. Nach einem einstündigen Rühren bei Raumtemperatur wurde das Lösemittel bei einem verringerten Druck beseitigt und 2 Stunden lang ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen. Auf diese Weise wurde ein Ionenflüssigkeitsmonomer erhalten. 3,00 g (11,3 mMol) des erhaltenen Ionenflüssigkeitsmonomers und 2,43 g (12,4 mMol) 3-Mercaptotrimethoxysilan wurden in 40 ml Methanol (extrem entwässert) gelöst. In Bezug auf das 3-Mercyptotrimethoxysilan wurden 15 Mol-% Azobisisobutyronitril als Radikalerzeuger beigegeben und nach einem 30 Minuten langen Hindurchperlen von Argon wurde bei einer Temperatur von 75 °C unter Argon ein sieben Stunden langer Rückfluss vorgenommen. Nach einer Beseitigung des Lösemittels bei einem verringerten Druck und einer Reinigung mit Diethylether wurde ein Trocknen bei einem verringerten Druck vorgenommen, wodurch die mit der folgenden Formel (21) gezeigte reaktive Ionenflüssigkeit erhalten wurde.
Anschließend wurde die Kationen-Fixierungsschicht hergestellt. Die hergestellte reaktive Ionenflüssigkeit wurde in einer Mischlösung, für die Titantetraisopropoxid und Acetylaceton in einem Molverhältnis von 1 : 1 gemischt wurden, gelöst. Dieser Mischflüssigkeit wurde IPA beigegeben und ferner Wasser in der vierfachen Menge der Molanzahl des Titantetraisopropoxids eingetropft und eine Hydrolysereaktion vorgenommen. Auf diese Weise wurde ein Sol erhalten, das TiO2-Teilchen, an denen die Kationenkomponente der reaktiven Ionenflüssigkeit fixiert worden war, und die Anionenkomponente der reaktiven Ionenflüssigkeit enthielt. Das erhaltene Sol wurde mit einer 12 masse-%igen Lösung von HX-NBR (wie oben) gemischt (Lösemittel: Acetylaceton). Das Sol wurde so gemischt, dass es in Bezug auf 100 Masseteile HX-NBR in TiO2 umgerechnet 2,4 Masseteile enthielt. Der Mischflüssigkeit, in die das Sol gemischt war, wurden 5 Masseteile einer Acetylacetonlösung von Tetrakis(2-ethylhexyloxy)titan (Konzentration: 20 Masse-%) als Vernetzungsmittel beigegeben, wodurch eine Elastomerzusammensetzung in einem flüssigen Zustand erhalten wurde. Die Elastomerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgetragen und nach dem Trocknen bei 150 °C eine Stunde lang erhitzt, wodurch die Kationen-Fixierungsschicht erhalten wurde. Die Dicke der Kationen-Fixierungsschicht betrug 10 µm.Subsequently, the cation fixing layer was prepared. The produced reactive ionic liquid was dissolved in a mixed solution for which titanium tetraisopropoxide and acetylacetone were mixed in a molar ratio of 1: 1. This mixed liquid was added with IPA and further added dropwise water in four times the number of moles of the titanium tetraisopropoxide, and a hydrolysis reaction was carried out. Thus, a sol containing TiO 2 particles to which the cationic component of the reactive ionic liquid was fixed and the anionic component of the reactive ionic liquid was obtained. The resulting sol was mixed with a 12% by mass solution of HX-NBR (as above) (solvent: acetylacetone). The sol was mixed so as to contain 2.4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of HX-NBR in TiO 2 . To the mixed liquid in which the sol was mixed, 5 parts by mass of an acetylacetone solution of tetrakis (2-ethylhexyloxy) titanium (concentration: 20% by mass) as a crosslinking agent was added to obtain an elastomer composition in a liquid state. The elastomer composition was coated on a substrate and heated after drying at 150 ° C for one hour to obtain the cation fixing layer. The thickness of the cation fixing layer was 10 μm.
Die Kationen-Fixierungsschicht wurde an die Vorderfläche einer dielektrischen Schicht und die Anionen-Fixierungsschicht an ihre Rückfläche geklebt, und durch jeweiliges Ablösen des Substrats ein Schichtkörper mit einem dreischichtigen Aufbau hergestellt. Durch Kleben von Elektroden an die Vorder- und die Rückfläche des hergestellten Schichtkörpers wurde ein Aktuator hergestellt. Die Aktuatoren der Ausführungsformen
In der obigen Tabelle 3 sind die erzeugte Kraft, die Verschiebungsrate und die dielektrische Durchschlagfestigkeit der einzelnen Aktuatoren angegeben. Wie in Tabelle 3 gezeigt, werden die erzeugte Kraft, die Verschiebungsrate und die dielektrische Durchschlagfestigkeit durch Schichten von Ionen-Fixierungsschichten auf die aus den Copolymeren
Die SensoreigenschaftenThe sensor properties
Unter Verwendung der Copolymere
Für die hergestellten Sensoren wurde zunächst die anfängliche Kapazität (bei Nichtdehnung) gemessen. Anschließend wurde der Sensor in eine Richtung der Flächenrichtung gedehnt und die Kapazität bei einer Dehnung von 100 % gemessen. Dann wurde die anfängliche Kapazität von der Kapazität bei der Dehnung abgezogen und das Veränderungsausmaß der Kapazität berechnet. Die Kapazität wurde unter Verwendung eines LCR-Meters („E4980AL“ von Keysight Technologies) gemessen.For the sensors produced, the initial capacity (when not expanded) was measured first. Then, the sensor was stretched in one direction of the surface direction, and the capacity was measured at an elongation of 100%. Then, the initial capacity was subtracted from the capacity in the expansion and the amount of change of the capacity was calculated. Capacity was measured using an LCR meter ("E4980AL" from Keysight Technologies).
In Tabelle 3 und Tabelle 4 sind die Messergebnisse für die anfängliche Kapazität und jene bei der Dehnung und das Veränderungsausmaß der Kapazität angeführt. Wie in Tabelle 3 und Tabelle 4 gezeigt, wurden bei einem Vergleich der Sensoren mit den gleichen Basispolymeren wie bei den Ausführungsformen
Gewerbliches AnwendungsgebietCommercial application
Der Wandler der vorliegenden Erfindung kann breit als Wandler, Sensor oder stromerzeugendes Element, oder dergleichen, der oder das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, oder als Lautsprecher, Mikrophon, Rauschunterdrücker, oder dergleichen, der oder das Schallenergie in elektrische Energie umwandelt, verwendet werden. Vor allem ist er als weicher Aktuator, der für künstliche Muskeln, die bei industriellen, medizinischen oder Pflegerobotern oder Assist Suits, oder dergleichen verwendet werden, für kleinformatige Pumpen zur Kühlung von elektronischen Komponenten oder für medizinische Zwecke, oder dergleichen, durch Schwingungen tastempfindliche (haptische) Elemente, sowie medizinische Geräte, oder dergleichen verwendet wird, ideal. Außerdem ist er als tragbarer Sensor für biologische Informationen oder als Drucksensor, der in künstlicher Haut von Robotern, Matratzen für medizinische oder Pflegezwecke, Sitzen von Rollstühlen, oder dergleichen angeordnet wird, ideal.The transducer of the present invention can be widely used as a transducer, sensor or power generating element, or the like, that converts mechanical energy into electrical energy, or as a speaker, microphone, noise suppressor, or the like that converts sound energy into electrical energy , Above all, as a soft actuator used for artificial muscles used in industrial, medical or care robots or the like, for small-sized pumps for cooling electronic components or medical purposes, or the like, it is sensitive to vibration (haptic) ) Items, as well as medical equipment, or the like is used ideally. In addition, it is ideal as a portable sensor for biological information or as a pressure sensor placed in artificial skin of robots, mattresses for medical or nursing purposes, seats of wheelchairs, or the like.
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